DE60027586T2 - METHOD FOR IMPROVING THE COLD STUMBBILITY OF AN ELECTROCHEMICAL FUEL CELL - Google Patents
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungTerritory of invention
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Verbessern der Kaltstartfähigkeit einer elektrochemischen Brennstoffzelle. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung temperaturabhängige Verfahren zum Verbessern der Kaltstartfähigkeit von Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystemen, die einen Brennstoffzellenstapel umfassen.The The present invention relates to methods for improving cold start capability an electrochemical fuel cell. More specifically, the present concerns Invention temperature-dependent Method for improving the cold start capability of fuel cell power generation systems, comprising a fuel cell stack.
Hintergrund der Erfindungbackground the invention
Elektrochemische Brennstoffzellen wandeln Brennstoff und Oxidationsmittel in Elektrizität und Reaktionsprodukte um. Elektrochemische Feststoffpolymer-Brennstoffzellen verwenden im Allgemeinen eine Membranelektrodenbaugruppe oder Membran-Elektroden-Einheit ("MEA" – Membrane Electrode Assembly), die eine Ionenaustauschmembran oder ein Feststoffpolymer-Elektrolyt aufweist, die/das zwischen zwei Elektroden angeordnet ist, welche typischerweise eine Schicht aus einem porösen, elektrisch leitenden Lagenmaterial umfassen, wie etwa Kohlenstofffaserpapier oder Kohlenstoffgewebe. Die MEA enthält eine Katalysatorschicht, typischerweise in Form fein gemahlenen Platins, an jeder Membran-/Elektroden-Grenzfläche, um die gewünschte elektrochemische Reaktion zu induzieren. Im Betrieb sind die Elektroden elektrisch miteinander gekoppelt, um einen Schaltkreis zum Leiten von Elektronen zwischen den Elektroden über einen externen Schaltkreis vorzusehen.electrochemical Fuel cells convert fuel and oxidants into electricity and reaction products around. Use solid state polymer electrochemical fuel cells generally a membrane electrode assembly or membrane-electrode assembly ("MEA" - Membrane Electrode Assembly), an ion exchange membrane or a solid polymer electrolyte which is disposed between two electrodes, which typically a layer of a porous, electrically conductive sheet material include carbon fiber paper or carbon cloth. The MEA contains a catalyst layer, typically in the form of finely ground Platinum, at each membrane / electrode interface, to the desired electrochemical Induce reaction. In operation, the electrodes are electrical coupled together to form a circuit for conducting electrons between the electrodes to provide an external circuit.
An der Anode bewegt sich der Brennstoffstrom durch das poröse Anodensubstrat und wird an der Anodenelektrokatalysatorschicht oxidiert. An der Kathode bewegt sich der Oxidationsmittelstrom durch das poröse Kathodensubstrat und wird an der Kathodenelektrokatalysatorschicht reduziert, um ein Reaktionsprodukt zu bilden.At At the anode, the fuel flow moves through the porous anode substrate and is oxidized at the anode electrocatalyst layer. At the Cathode, the oxidant flow moves through the porous cathode substrate and is reduced at the cathode electrocatalyst layer to to form a reaction product.
Bei
Brennstoffzellen, die Wasserstoff als Brennstoff und sauerstoffhaltige
Luft (oder im Wesentlichen reinen Sauerstoff) als Oxidationsmittel verwenden,
erzeugt die katalysierte Reaktion an der Anode Wasserstoffkationen
(Protonen) aus der Brennstoffzufuhr. Die Ionenaustauschmembran erleichtert
die Migration von Protonen von der Anode zur Kathode. Zusätzlich zum
Leiten von Protonen, isoliert die Membran den wasserstoffhaltigen
Brennstoffstrom von dem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittelstrom.
An der Kathodenelektrokatalysatorschicht reagiert der Sauerstoff
mit den durch die Membran hindurchgetretenen Protonen, um Wasser
als Reaktionsprodukt zu bilden. Die Anoden- und Kathodenreaktionen
in Wasserstoff-/Sauerstoff-Brennstoffzellen sind
in den folgenden Gleichungen dargestellt:
Anodenreaktion: H2 → 2H+ + 2e–
Kathodenreaktion:
1/2O2 + 2H+ + 2e– → H2OFor fuel cells that use hydrogen as the fuel and oxygen-containing air (or substantially pure oxygen) as the oxidant, the catalyzed reaction at the anode generates hydrogen cations (protons) from the fuel supply. The ion exchange membrane facilitates the migration of protons from the anode to the cathode. In addition to conducting protons, the membrane isolates the hydrogen-containing fuel stream from the oxygen-containing oxidant stream. At the cathode electrocatalyst layer, the oxygen reacts with the protons that have passed through the membrane to form water as a reaction product. The anode and cathode reactions in hydrogen / oxygen fuel cells are shown in the following equations:
Anode reaction: H 2 → 2H + + 2e -
Cathode reaction: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O
Bei typischen Brennstoffzellen ist die MEA zwischen zwei elektrisch leitenden Fluid-Strömungsfeldplatten oder Trennplatten angeordnet. Fluid-Strömungsfeldplatten haben wenigstens einen Durchflusskanal, der in wenigstens einer ihrer planaren Hauptoberflächen ausgebildet ist. Die Durchflusskanäle lenken den Brennstoff und das Oxidationsmittel zu den jeweiligen Elektroden, nämlich der Anode auf der Brennstoffseite und der Kathode auf der Oxidationsmittelseite. Die Fluid-Strömungsfeldplatten wirken als Stromkollektoren, bieten eine Halterung für die Elektroden, stellen Zugangskanäle für den Brennstoff und das Oxidationsmittel zu den jeweiligen Anoden- und Kathodenoberflächen bereit und sehen Kanäle zur Entfernung von Reaktionsprodukten vor, wie etwa Wasser, die während des Betriebs der Zelle gebildet werden. In den Oberflächen von Trennplatten sind typischerweise keine Durchflusskanäle ausgebildet, sie werden jedoch in Kombination mit einer angrenzenden Materialschicht verwendet, die Zugangskanäle für den Brennstoff und das Oxidationsmittel zu dem jeweiligen Anoden- und Kathodenelektrokatalysator sowie Kanäle zur Entfernung von Reaktionsprodukten vorsieht. Der bevorzugte Betriebstemperaturbereich für Feststoffpolymer-Brennstoffzellen liegt typischerweise zwischen 50°C und 120°C, besonders typisch zwischen ungefähr 75°C und 85°C.at typical fuel cells, the MEA is between two electric conductive fluid flow field plates or separating plates arranged. Fluid flow field plates have at least a flow channel formed in at least one of its main planar surfaces is. The flow channels direct the fuel and the oxidizer to the respective ones Electrodes, namely the anode on the fuel side and the cathode on the oxidant side. The fluid flow field plates act as current collectors, provide a holder for the electrodes, provide access channels for the Fuel and the oxidizing agent to the respective anode and cathode surfaces ready and see channels for removing reaction products, such as water, the while the operation of the cell are formed. In the surfaces of Partition plates are typically not formed flow channels, however, they are combined with an adjacent layer of material used the access channels for the Fuel and the oxidizing agent to the respective anode and Cathode electrocatalyst and channels for removing reaction products provides. The preferred operating temperature range for solid polymer fuel cells is typically between 50 ° C and 120 ° C, especially typical between about 75 ° C and 85 ° C.
Zwei oder mehr Brennstoffzellen können miteinander elektrisch in Reihe geschaltet werden, um die insgesamt abgegebene Leistung der Baugruppe zu erhöhen. Bei Reihenanordnungen kann eine Seite einer gegebenen Fluid-Strömungsfeld- oder Trennplatte als Anodenplatte für eine Zelle und die andere Seite der Fluid-Strömungsfeld- oder Trennplatte als Kathodenplatte für die benachbarte Zelle dienen. Eine derartige Mehrfachbrennstoffzellenanordnung wird als Brennstoffzellenstapel bezeichnet und für gewöhnlich in ihrem montierten Zustand durch Zugstangen und Endplatten zusammengehalten. Der Stapel umfasst typischerweise Einlassöffnungen und Verteiler zum Leiten des fluiden Brennstoffstromes (wie etwa im Wesentlichen reiner Wasserstoff, Methanol-Reformat oder Erdgas-Reformat oder ein methanolhaltiger Strom in einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle) und des fluiden Oxidationsmittelstromes (wie etwa im Wesentlichen reiner Sauerstoff, sauerstoffhaltige Luft oder Sauerstoff in einem Trägergas, wie etwa Stickstoff) zu den einzelnen Brennstoff zellenreaktionspartnerdurchflusskanälen. Der Stapel umfasst für gewöhnlich auch eine Einlassöffnung und einen Verteiler zum Leiten eines Kühlmittelstromes, typischerweise Wasser, zu inneren Kanälen im Stapel, um während des Betriebs durch die Brennstoffzelle erzeugte Wärme zu absorbieren. Der Stapel umfasst außerdem im Wesentlichen Auslassverteiler und Auslassöffnungen zum Ausstoßen der abgereicherten Reaktionspartnerströme und der Reaktionsprodukte, wie etwa Wasser, sowie einen Auslassverteiler und eine Auslassöffnung für den den Stapel verlassenden Kühlmittelstrom. In einem Stromerzeugungssystem transportieren verschiedene Brennstoff-, Oxidationsmittel- und Kühlmittelleitungen diese Fluidströme zum Brennstoffzellenstapel hin und davon weg.Two or more fuel cells may be electrically connected in series with each other to increase the overall output power of the assembly. In series arrangements, one side of a given fluid flow field or separation plate may serve as the anode plate for one cell and the other side of the fluid flow field or separation plate as the cathode plate for the adjacent cell. Such a multiple fuel cell assembly is referred to as a fuel cell stack and is usually held together in its assembled state by tie rods and end plates. The stack typically includes inlet ports and manifolds for directing the fluid fuel stream (such as substantially pure hydrogen, methanol reformate or natural gas reformate, or a methanol-containing stream in a direct methanol fuel cell) and the fluid oxidant stream (such as substantially pure oxygen , oxygen-containing air or oxygen in a carrier gas, such as nitrogen) to the individual fuel cell reactant flow channels. The stack also typically includes an inlet port and a manifold for directing a flow of coolant, typically water, to internal passages in the stack to absorb heat generated by the fuel cell during operation. The stack also includes substantially outlet manifolds and outlet ports for expelling the depleted reactant streams and the reaction products, such as water, and an outlet manifold and outlet port for the coolant stream exiting the stack. In a power generation system, various fuel, oxidant, and coolant lines transport these fluid streams toward and away from the fuel cell stack.
Wenn eine elektrische Last (mit einem oder mehreren Lastelementen) in einem elektrischen Schaltkreis platziert wird, der die Elektroden miteinander verbindet, werden der Brennstoff und das Oxidationsmittel direkt proportional zu dem elektrischen Strom verbraucht, der durch die Last abgezogen wird, wodurch der Ohmsche Widerstand der Last verändert wird.If an electrical load (with one or more load elements) in an electrical circuit is placed, the electrodes connecting the fuel and the oxidizer directly proportional to the electric power consumed by the load is subtracted, causing the ohmic resistance of the load changed becomes.
Feststoffpolymer-Brennstoffzellen verwenden im Allgemeinen Perfluorsulfon-Ionenaustauschmembranen, wie etwa die von DuPont unter der Handelsbezeichnung NAFION und von Dow unter der Handelsbezeichnung XUS 13204.10 vertriebenen. Bei Verwendung solcher Membranen werden die Brennstoff- und Oxidationsmittelreaktionspartnerströme typischerweise befeuchtet, bevor sie in Feststoffpolymer-Brennstoffzellen eingebracht werden, um den Protonentransport durch die Ionenaustauschmembran zu erleichtern und eine Austrocknung (und Beschädigung) der die Anode und Kathode jeder Zelle trennenden Membran zu vermeiden.Solid polymer fuel cells generally use perfluorosulfone ion exchange membranes, such as those of DuPont under the trade name NAFION and marketed by Dow under the trade designation XUS 13204.10. at Using such membranes, the fuel and oxidant reactant streams typically become Moistened before they are incorporated in solid polymer fuel cells to to facilitate proton transport through the ion exchange membrane and dehydration (and damage) to avoid the membrane separating the anode and cathode of each cell.
Jeder aus dem Brennstoffzellenstapel austretende Reaktionspartnerstrom enthält im Allgemeinen Wasser. Der aus den Anoden austretende Brennstoffstrom enthält das Wasser, das zum Befeuchten des eintretenden Brennstoffstromes zugegeben wurde, sowie jegliches Produktwasser, das von der Kathode aus durch die Membran gezogen wurde. Der aus den Kathoden austretende Oxidationsmittelstrom enthält im Allgemeinen das Wasser, das zum Befeuchten des eingehenden Oxidationsmittelstromes zugegeben wurde, sowie an der Kathode gebildetes Produktwasser.Everyone emerging from the fuel cell stack reactant stream contains generally water. The fuel stream leaving the anodes contains the water used to humidify the incoming fuel stream was added, as well as any product water coming from the cathode was pulled out through the membrane. The emerging from the cathodes Contains oxidant stream generally the water used to wet the incoming oxidant stream was added, as well as formed at the cathode product water.
Bei manchen Brennstoffzellenanwendungen, wie etwa Antriebsanwendungen, kann es notwendig oder erwünscht sein, den Betrieb eines Feststoffpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels zu starten, wenn die Stapelkerntemperatur unter der Gefriertemperatur von Wasser liegt. Wie hierin verwendet ist mit der Gefriertemperatur von Wasser die Gefriertemperatur von freiem Wasser gemeint, das heißt 0°C bei 1 Atmosphäre. Beim Beenden des Betriebs des Feststoffpolymer-Brennstoffzellenstapels kann es außerdem notwendig oder erwünscht sein, die Kaltstartbarkeit und Gefriertoleranz des Stapels durch Reduzieren der in den Brennstoff-, Oxidationsmittel- und Kühlmittelkanälen des Stapels verbliebenen Wassermenge zu verbessern. Beim Gefrieren dehnt sich in den Stapelkanälen verbliebenes Wasser aus und kann Strukturen innerhalb des Stapels, wie z.B. die Membran-/Elektrokatalysator-Grenzfläche, die Reaktionspartnerkanäle, Leitungen und Dichtungen sowie das poröse Elektrodensubstratmaterial, potenziell beschädigen.at many fuel cell applications, such as drive applications, It may be necessary or desired be the operation of a solid polymer electrolyte fuel cell stack to start when the stack core temperature is below the freezing temperature of water lies. As used herein with the freezing temperature of water the freezing temperature of free water meant, that is 0 ° C at 1 atmosphere. At the Stopping the operation of the solid polymer fuel cell stack it as well necessary or desired be, the cold startability and freeze tolerance of the pile through Reduce the in the fuel, oxidant and coolant channels of the Stack of remaining water to improve. When freezing expands in the stack channels remaining water can and structures within the stack, such as e.g. the membrane / electrocatalyst interface, the reactant channels, conduits and seals as well as the porous ones Electrode substrate material, potentially damaging.
Wenn erwartet wird, dass ein Feststoffpolymer-Brennstoffzellenstapel niedrigen Temperaturen ausgesetzt werden wird, insbesondere Temperaturen unterhalb der Gefriertemperatur von Wasser, können eine oder mehrere spezielle Start- und Abschalttechniken verwendet werden. Diese Techniken können die Kaltstartbarkeit und Gefriertoleranz des Stapels sowie die spätere Brennstoffzellenleistung verbessern. Ein Maß der Leistung einer elektrochemischen Brennstoffzelle besteht in dem Spannungsausgang der Zelle bei einer gegebenen Stromdichte. Eine höhere Leistung wird mit einem höheren Spannungsausgang bei einer gegebenen Stromdichte oder einer höheren Stromdichte bei einem gegebenen Spannungsausgang assoziiert.If It is expected that a solid polymer fuel cell stack low temperatures will be exposed, especially temperatures below the freezing temperature of water, one or more special Startup and shutdown techniques are used. These techniques can be the Cold startability and freeze tolerance of the stack and the later fuel cell performance improve. A measure of Performance of an electrochemical fuel cell is in the Voltage output of the cell at a given current density. A higher Performance comes with a higher one Voltage output at a given current density or higher current density associated with a given voltage output.
Zusammenfassung der ErfindungSummary the invention
Ein Verfahren zum Starten des Betriebs eines Stromerzeugungssystems beschleunigt die Erwärmung des Brennstoffzellenstapels auf den gewünschten Betriebstemperaturbereich. Das System umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der mit einem externen elektrischen Schaltkreis verbindbar ist, um den externen Schaltkreis mit elektrischem Strom zu versorgen. Der Stapel umfasst wenigstens eine Brennstoffzelle, wobei die wenigstens eine Brennstoffzelle eine Membranelektrodenbaugruppe mit einer Anode, einer Kathode und einer zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Ionenaustauschmembran aufweist. Das System umfasst ferner einen Brennstoffstrom und einen Oxidationsmittelstrom, wobei jeder der Ströme zum Brennstoffzellenstapel fließen kann. Das System umfasst ferner einen Kühlmittelstrom, der in Wärmekontakt mit dem Brennstoffzellenstapel fließen kann.One Method for starting the operation of a power generation system accelerates the heating of the fuel cell stack to the desired operating temperature range. The system includes a fuel cell stack that is connected to an external fuel cell electrical circuit is connectable to the external circuit to supply with electric current. The stack comprises at least a fuel cell, wherein the at least one fuel cell a membrane electrode assembly having an anode, a cathode and an ion exchange membrane disposed between the anode and the cathode having. The system further includes a fuel stream and a Oxidant stream, wherein each of the streams may flow to the fuel cell stack. The system further includes a coolant flow in thermal contact can flow with the fuel cell stack.
Die Nennbetriebstemperatur des Stapels kann direkt (z.B. durch Anordnen eines Temperatursensors an einer oder mehreren Stellen im Stapel) oder indirekt gemessen werden, z.B. durch Überwachen der Temperatur eines oder mehrerer der den Stapel verlassenden Fluidströme. In der Praxis können derartige Messungen dazu verwendet werden, einen repräsentativen oder ungefähren Wert der Stapelbetriebstemperatur bereitzustellen oder abzuleiten.The Rated operating temperature of the stack can be directly (e.g., by placing a temperature sensor at one or more locations in the stack) or be measured indirectly, e.g. by monitoring the temperature of a or more of the fluid streams leaving the stack. In the Practice can such measurements are used to represent a representative or approximate To provide or derive the value of the stack operating temperature.
Die Temperaturschwelle, bei der der Kühlmittelfluss gestartet wird, beträgt vorzugsweise mehr als ungefähr 0°C, kann jedoch auch unter dem typischen erwünschten Betriebstemperaturbereich des Brennstoffzellenstapels liegen. Die Schwelle könnte beispielsweise zwischen ungefähr 30°C und 50°C oder innerhalb des gewünschten Betriebstemperaturbereichs liegen, der bei einer Feststoffpolymer-Brennstoffzelle typischerweise zwischen ungefähr 75°C und 85°C liegt. Sobald der gewünschte Betriebstemperaturbereich erreicht worden ist, können im Anschluss daran herkömmliche Temperaturregeltechniken verwendet werden, damit der Brennstoffzellenstapel weiterhin innerhalb des gewünschten Temperaturbereichs arbeitet.The temperature threshold at which the coolant flow is started is preferably more than about 0 ° C, but may also be below the typical desired operating temperature range of the fuel cell stack. For example, the threshold could be between about 30 ° C and 50 ° C or are within the desired operating temperature range, which is typically between about 75 ° C and 85 ° C for a solid polymer fuel cell. Once the desired operating temperature range has been reached, conventional temperature control techniques may be used thereafter to further operate the fuel cell stack within the desired temperature range.
Dieses Verfahren ist zum Starten des Betriebs besonders geeignet, wenn wenigstens ein Teil der Membranelektrodenbaugruppe eine Temperatur unterhalb der Gefriertemperatur von Wasser hat.This Method is particularly suitable for starting the operation when at least a portion of the membrane electrode assembly is at a temperature below the freezing temperature of water has.
Die vordefinierte Temperaturschwelle, bei der der Kühlmittelfluss gestartet wird, ist höher als die normale gewünschte Betriebstemperatur des Stapels. Sie liegt beispielsweise vorzugsweise wenigstens ungefähr 10°C über der normalen gewünschten Betriebstemperatur des Stapels. Bei einer typischen Feststoffpolymer-Brennstoffzelle kann der bevorzugte Betriebstemperaturbereich beispielsweise ungefähr zwischen 75°C und 85°C liegen. Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens könnte der Kühlmittelfluss verzögert werden, bis die Betriebstemperatur einen Wert zwischen ungefähr 95°C und 105°C erreicht.The predefined temperature threshold at which the coolant flow is started, is higher than the normal desired Operating temperature of the stack. It is preferably, for example at least about 10 ° C above the normal desired operating temperature of the pile. For a typical solid polymer fuel cell For example, the preferred operating temperature range may be approximately between 75 ° C and 85 ° C lie. In this embodiment of the procedure could the coolant flow delayed until the operating temperature reaches a value between about 95 ° C and 105 ° C.
Es hat sich gezeigt, dass diese in-situ-"Wärmebehandlung" einer Membranelektrodenbaugruppe nach einem Kaltstart in gewissen Situationen die spätere Brennstoffzellenleistung einer Brennstoffzelle gegenüber einem Starten des Betriebs verbessert, bei dem die Zelle nicht über ihrem normalen Betriebstemperaturbereich betrieben wird. Dieses verbesserte Verfahren ist wiederum zum Starten des Betriebs besonders geeignet, wenn wenigstens ein Teil der Membranelektrodenbaugruppe eine Temperatur unterhalb der Gefriertemperatur von Wasser aufweist und insbesondere bei einem Betrieb mit Luft (anstelle eines im Wesentlichen reinen Oxidationsmittels). Betrieblich kann das in-situ-Wärmebehandlungsverfahren, neben dem Verzögern des Kühlmittelflusses, auf viele andere Arten erreicht werden.It has been shown to be in situ "heat treatment" of a membrane electrode assembly after a cold start in certain situations, the later fuel cell performance a fuel cell opposite improved starting of the operation, in which the cell is not above her normal operating temperature range is operated. This improved Method is again particularly suitable for starting the operation, when at least a portion of the membrane electrode assembly is at a temperature below the freezing temperature of water and in particular at a Operation with air (instead of a substantially pure oxidant). Operationally, the in-situ heat treatment process, next to the delay the coolant flow, can be achieved in many other ways.
Daher umfasst ein zweites Verfahren zum Starten des Betriebs eines Stromerzeugungssystems eine Zeitspanne, während der der Stapel über seiner normalen Betriebstemperatur betrieben wird. Das System umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der mit einem externen elektrischen Schaltkreis verbindbar ist, um den externen Schaltkreis mit elektrischem Strom zu versorgen. Der Stapel umfasst wenigstens eine Brennstoffzelle, wobei die wenigstens eine Brennstoffzelle eine Membranelektrodenbaugruppe mit einer Anode, einer Kathode und einer zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Ionenaustauschmembran aufweist. Das System umfasst ferner einen Brennstoffstrom und einen Oxidationsmittelstrom, wobei jeder der Ströme zum Brennstoffzellenstapel fließen kann. Das System umfasst wahlweise ferner einen Kühlmittelstrom, der in Wärmekontakt mit dem Brennstoffzellenstapel fließen kann.Therefore comprises a second method for starting the operation of a power generation system a period of time while the stack over his normal operating temperature is operated. The system includes one Fuel cell stack, with an external electrical circuit connectable to the external circuit with electric current to supply. The stack comprises at least one fuel cell, wherein the at least one fuel cell is a membrane electrode assembly with an anode, a cathode and one between the anode and the cathode has arranged ion exchange membrane. The system further comprises a fuel stream and an oxidant stream, where each of the streams flow to the fuel cell stack can. The system optionally further comprises a coolant stream, in thermal contact can flow with the fuel cell stack.
Das
Verfahren umfasst:
Versorgen des externen Schaltkreises mit
elektrischem Strom vom Brennstoffzellenstapel, so dass die Temperatur
der wenigstens einen Brennstoffzelle auf eine Temperatur ansteigt,
die über
dem normalen Betriebstemperaturbereich des Stapels liegt, und
Verringern
der Betriebstemperatur des Stapels auf eine Temperatur innerhalb
des normalen Betriebstemperaturbereichs.The method comprises:
Supplying the external circuit with electric current from the fuel cell stack so that the temperature of the at least one fuel cell rises to a temperature that is above the normal operating temperature range of the stack, and
Reduce the operating temperature of the stack to a temperature within the normal operating temperature range.
Die über der normalen Betriebstemperatur liegende Temperatur wird typischerweise vordefiniert. Bei bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens wird der Brennstoffzellenstapel zeitweilig wenigstens ungefähr 10°C über seiner normalen erwünschten Betriebstemperatur betrieben. Bei einer typischen Feststoffpolymer-Brennstoffzelle kann der bevorzugte Betriebstemperaturbereich z.B. zwischen ungefähr 75°C und 85°C liegen, so dass der Stapel vorzugsweise über eine gewisse Zeitspanne auf einem Wert zwischen ungefähr 95°C und 105°C betrieben werden kann, bevor der Betrieb innerhalb des Bereichs zwischen ungefähr 75°C und 85°C wieder aufgenommen wird. Die Zeitspanne, während der der Stapel mit der höheren Temperatur betrieben wird, kann variabel sein oder es kann sich um eine vordefinierte Zeitspanne handeln. Der Stapel kann beispielsweise für ungefähr 1–2 Minuten oder einige wenige Sekunden mit der höheren Temperatur betrieben werden. Die Temperatur und/oder die Zeitspanne der Betriebsphase mit höheren Temperaturen können jedoch in Abhängigkeit von einigen überwachten Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems eingestellt werden. Die bevorzugte Temperatur und/oder Zeitspanne können beispielsweise von der Temperatur der umliegenden Umgebung, den Feuchtigkeitsbedingungen innerhalb des Stapels, einem die Reaktionspartnerqualität oder -reinheit angebenden Parameter, wie lange der Stapel bei einer niedrigen Tempera tur aufbewahrt worden ist, oder einem die Brennstoffzellenleistung angebenden elektrischen Parameter abhängig sein.The over the normal operating temperature lying temperature is typically predefined. In preferred embodiments of the method At times, the fuel cell stack will be at least about 10 ° C above its normal desired Operating temperature operated. In a typical solid polymer fuel cell the preferred operating temperature range e.g. between about 75 ° C and 85 ° C, so that the stack is preferably over operated at a value between about 95 ° C and 105 ° C for a certain period of time can be resumed before operating within the range between about 75 ° C and 85 ° C becomes. The time span while the stack with the higher one Temperature is operated, may be variable or it may be to trade for a predefined period of time. The stack can, for example for about 1-2 minutes or a few seconds at the higher temperature become. The temperature and / or the period of the operating phase with higher Temperatures can however in dependence supervised by some Operating parameters of the fuel cell system can be adjusted. The preferred temperature and / or time span may be, for example, from the Temperature of the surrounding environment, the humidity conditions within the stack, a reactant quality or purity indicating how long the stack is at a low tempera ture has been stored, or a the fuel cell performance indicating electrical Parameter dependent be.
Als Alternative zu dem obigen Wärmebehandlungsverfahren kann es gegenüber dem Erwärmen einer Brennstoffzelle von unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser auf oberhalb ihres normalen Betriebstemperaturbereichs vor dem Starten des Betriebs derselben einige Vorteile geben. Ein extern angetriebenes Heizgerät könnte beispielsweise verwendet werden, um den Stapel oder ein durch den Stapel zirkulierendes Kühlmittel zu erwärmen, oder es könnte ein heißer Fluidstrom von einer anderen Stelle im System eingesetzt werden. Vorzugsweise wird während der Wärmebehandlung ein Gasstrom durch einen oder beide der Reaktionspartnerdurchflusskanäle zirkuliert.As an alternative to the above heat treatment process, there may be some advantages over heating the fuel cell from below the freezing point of water to above its normal operating temperature range prior to starting the operation thereof. For example, an externally driven heater could be used to heat the stack or coolant circulating through the stack, or a hot fluid stream could be used from elsewhere in the system. Preferably For example, during the heat treatment, a gas stream is circulated through one or both of the reactant flow channels.
Bei dem vorstehenden Verfahren führt der exotherme Betrieb des Stapels häufig dazu, dass die Betriebstemperatur des Stapels steigt. Es können jedoch darüber hinaus andere Mittel verwendet werden, um den Temperaturanstieg auf innerhalb oder oberhalb des erwünschten Stapelbetriebstemperaturbereichs zu beschleunigen oder zu erleichtern.at the above method leads The exothermic operation of the stack often causes the operating temperature of the pile rises. It can however about it In addition, other means are used to increase the temperature to within or above the desired stack operating temperature range to accelerate or facilitate.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenSummary the drawings
Genaue Beschreibung der bevorzugten AusführungsformenPrecise description of the preferred embodiments
Wie
des Weiteren in
Bezugnehmend
nun auf
Die
Platte
In
den Brennstoffzellenanordnungen ist eine Reihe von Öffnungen
ausgebildet, die mit entsprechenden Öffnungen in angrenzenden Anordnungen zusammenwirken,
um Fluidverteiler
Ein über die
Brennstoffeinlassöffnung
Eine
Wasserstoffquelle
In
dem Kühlmittelwasserkreislauf
Ein
Spülsystem
Der Stapel hatte sich zuvor in Betrieb befunden, weshalb die Reaktionspartnerdurchflusskanäle feuchte Gase enthielten. Vor dem Senken der Stapelkerntemperatur unter die Gefriertemperatur von Wasser, wurden die Reaktionspartner- und Kühlmittelwasserkanäle im Stapel durch Zirkulieren von trockner, komprimierter Luft durch diese hindurch gereinigt. Die Stapelkerntemperatur wurde dann unter die Gefriertemperatur von Wasser gesenkt, indem der Stapel einer Umgebung mit einer Temperatur ausgesetzt wurde, die unterhalb der Gefriertemperatur von Wasser lag. Für die Zwecke der hierin beschriebenen Beispiele wurde der Stapel typischerweise in einer isolierten Kammer platziert, wobei die Fluid- und Stromanschlüsse des Stapels durch die Kammerwände eingebaut wurden. Kalter gasförmiger Stickstoff aus einer Flüssigstickstoffquelle wurde durch die Kammer zirkuliert. Die Stapelkerntemperatur wurde unter Verwendung eines Thermoelements gemessen, das in einer thermisch leitenden Platte angeordnet war, die sich zwischen zwei Brennstoffzellen im Zentrum des Stapels befand. Die Stapelspannung, der Stapelstrom und die Umgebungstemperatur wurden ebenfalls überwacht.Of the Stack was previously in operation, so the reactant flow channels were wet Contained gases. Before lowering the stack core temperature below the Freezing temperature of water, the reactant and coolant water channels were in the stack by circulating dry, compressed air therethrough cleaned. The stack core temperature then went below the freezing temperature lowered by water, adding the stack of an environment with a temperature was exposed below the freezing temperature of water was. For the purpose of the examples described herein was typically the stack placed in an insulated chamber, the fluid and power connections of the Stack through the chamber walls were installed. Cold gaseous Nitrogen from a liquid nitrogen source was circulated through the chamber. The stack core temperature was below Using a thermocouple measured in a thermal conductive plate was arranged, extending between two fuel cells in the center of the pile. The stack voltage, the stack current and the ambient temperature were also monitored.
Als die Zirkulation von Wasserstoff und Luft durch den Stapel bei einer Stapelkerntemperatur von –11°C (zum Zeitpunkt = 0 Minuten) begonnen wurde, war die Ruhespannung normal. Eine Last (360 A) wurde nach ungefähr drei Minuten an den Schaltkreis angeschlossen, was bewirkte, dass die Stapelkerntemperatur rapide anstieg, während die Spannung abnahm, sich jedoch allmählich erholte. Sobald der Betrieb des Stapels gestartet worden war, bewirkten die exotherme Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff im Stapel und das Widerstandsheizen aufgrund interner ohmscher Verluste einen Anstieg der Stapelkerntemperatur.When the circulation of hydrogen and air through the stack at one Stack core temperature of -11 ° C (at the time = 0 minutes), the quiescent voltage was normal. A burden (360 A) was about connected to the circuit for three minutes, which caused that the stack core temperature rose rapidly as the voltage decreased, but gradually recovered. As soon as the operation of the stack was started, the exothermic reaction of hydrogen and oxygen in the stack and resistance heating due to internal ohmic losses Increase in stack core temperature.
Wiederum wurden, da sich der Stapel zuvor in Betrieb befunden hatte, bevor die Stapelkerntemperatur auf –19°C gesenkt wurde, die Reaktionspartnerkanäle im Stapel durch Zirkulieren von trockenem Stickstoff gereinigt. Kühlmittelwasser blieb in den Kühlmittelkanälen zurück. Das Reinigungsfluid ist vorzugsweise ein Edelgas, wie etwa Stickstoff. Die Zirkulation von Wasserstoff und Luft wurde bei Anschluss einer Last (50 A) begonnen. Ungefähr 2 Minuten vergingen, bevor der Ausgangsstrom 50 A erreichte. Die Last wurde auf 260 A erhöht, sobald der Stapel ungefähr 30°C erreicht hatte, wobei dann die Kühlmittelpumpe aktiviert wurde. Eine Zelle im Stapel arbeitete nicht ordnungsgemäß und lag somit unter den normalen Durchschnittszellenspannungen.In turn were because the stack had previously been in operation before lowered the stack core temperature to -19 ° C was the reaction partner channels Purified in the stack by circulating dry nitrogen. Coolant Water stayed behind in the coolant channels. The Cleaning fluid is preferably a noble gas such as nitrogen. The circulation of hydrogen and air was at connection of a Last (50 A) started. Approximately 2 minutes passed before the output current reached 50A. The Load was increased to 260 A, once the stack is about Reached 30 ° C had, in which case the coolant pump has been activated. A cell in the stack was not working properly and was lying thus below the normal average cell voltages.
Während des Starts des Stapelbetriebs hat es sich als vorteilhaft erwiesen, auf eine Zirkulation des fluiden Kühlmittelstroms im Stapel zu verzichten, bis der Stapel eine über der Gefriertemperatur von Wasser liegende Temperatur erreicht hat. Besonders bevorzugt ist es, den fluiden Kühlmittelstrom nicht zu zirkulieren, bis der Stapel eine Temperatur erreicht hat, die der gewünschten Stapelbetriebstemperatur entspricht oder dieser nahe kommt. Diesbezüglich absorbiert und transportiert der zirkulierende fluide Kühlmittelstrom, vorausgesetzt er wurde nicht vorab erwärmt, Wärme ab, die ansonsten zur Erwärmung des Stapels zur Verfügung stünde. Ein Verzicht der Zirkulation des fluiden Kühlmittelstromes beschleunigt daher die Erwärmung des Stapels auf seine erwünschte Betriebstemperatur.During the Starts the batch operation, it has proven to be advantageous to a circulation of the fluid coolant flow in the stack refrain until the stack is over has reached the freezing temperature of water lying temperature. It is particularly preferred not to circulate the fluid coolant stream, until the stack has reached a temperature that is the desired Stack operating temperature is equal to or comes close. In this regard absorbed and transport the circulating fluid coolant stream, provided he was not heated in advance, Heat off, otherwise to warm up the Pile available would. Abandonment of the circulation of the fluid coolant flow accelerates therefore the warming pile on its desired Operating temperatur.
Die Kaltstartbarkeit und Gefriertoleranz von Brennstoffzellen kann verbessert werden, indem die Wassermenge verringert wird, die in den Kanälen des Stapels bei Einstellung des Betriebs und Senkung der Stapelkerntemperatur auf nahe der oder unter die Gefriertemperatur von Wasser verbleibt. Wie hierin verwendet, bezieht sich "Gefriertoleranz" auf die Fähigkeit einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels, nach einem oder mehreren Gefrier-/Tauzyklen im Wesentlichen dasselbe Leistungsvermögen beizubehalten.The Cold startability and freezing tolerance of fuel cells can be improved be reduced by reducing the amount of water in the channels of the Stack when setting the operation and lowering the stack core temperature remains close to or below the freezing temperature of water. As used herein, "freeze tolerance" refers to the ability of a fuel cell or a fuel cell stack, after one or more freeze / thaw cycles to maintain substantially the same performance.
Die Reaktionspartnerkanäle, einschließlich der Verteiler und der einzelnen Brennstoffzellen-Reaktionspartnerdurchflusskanäle in einem Brennstoffzellenstapel, werden vorzugsweise mit einem Fluidstrom gespült, bevor die Temperatur des Stapels unter die Gefriertemperatur von Wasser gesenkt wird. Es wird vorzugsweise ein Fluid verwendet, das in der Brennstoffzellenumgebung nicht reaktionsfähig ist, wie etwa gasförmiger Stickstoff. Eine Flüssigkeit kann als Spülfluid verwendet werden. Bevorzugt wäre eine Flüssigkeit, die bei der Temperatur, der die Brennstoffzelle ausgesetzt werden soll, nicht gefriert und die auf die Brennstoffzellenkomponenten keine schädliche Wirkung hat. Alternativ können die Reaktionspartnerströme selbst als Spülströme eingesetzt werden. Das Spülfluid ist vorzugsweise, sofern es ein Gas ist, trocken oder zumindest nicht befeuchtet. Daher sollten, wenn die Reaktionspartnerströme als Spülströme eingesetzt werden, Reaktionspartnerstrombefeuchter (sofern vorhanden) umgangen werden, um Ströme vorzusehen, deren Wasserführungskapazität größer als die von befeuchteten Reaktionspartnerströmen ist. Die größere Wasserführungskapazität unbefeuchteter Reaktionspartnerspülströme führt zu einer effizienteren Absorption und Entfernung von Wasser aus den Reaktionspartnerstromleitungen und porösen Komponenten des Stapels. Obgleich es in gewissen Situationen erwünscht sein kann, sämtliche Reaktionspartner- und Kühlmittelkanäle zu spülen, hat es sich in vielen Fällen als wirkungsvoll erwiesen, nur die Oxidationsmittelstromkanäle zu spülen. Dadurch können das System und die Abschaltsequenz vereinfacht werden.The reactant channels, including the manifolds and the individual fuel cell reactant flow channels in a fuel cell stack, are preferably purged with a fluid stream before the temperature of the stack is lowered below the freezing temperature of water. It is preferable to use a fluid that is unreactive in the fuel cell environment, such as gaseous nitrogen. A liquid can be used as flushing fluid. Preferred would be a liquid which does not freeze at the temperature to which the fuel cell is to be exposed and which has no deleterious effect on the fuel cell components. Alternatively, the reactant streams themselves can be used as purge streams. The flushing fluid is preferably, if it is a gas, dry or at least not moistened. Therefore, when the reactant streams are used as purge streams, reactants should be used current humidifier (if any) are bypassed to provide currents whose water carrying capacity is greater than that of humidified reactant streams. The greater water carrying capacity of unhumidified reactant purge streams results in more efficient absorption and removal of water from the reactant stream conduits and porous components of the stack. Although it may be desirable in certain situations to purge all reactant and coolant channels, it has proven effective in many cases to purge only the oxidant flow channels. This can simplify the system and the shutdown sequence.
Es hat sich gezeigt, dass eine verbesserte Kaltstartbarkeit und Gefriertoleranz von Brennstoffzellen bei mehreren Gefrier-/Tauzyklen auch erzielt werden kann, wenn einer oder mehrere der Brennstoff-, Oxidationsmittel-, Kühlmittel- und Befeuchtungskanäle gespült werden, nachdem die Stapelkerntemperatur auf normale Zimmertemperatur oder darunter gesenkt wurde (nachfolgend als "Kaltspülung" bezeichnet). Die vorteilhafte Wirkung der Spülung ist nicht ganz so ausgeprägt, wenn die Stapelkanäle bei einer Temperatur gespült werden, die innerhalb des normalen Stapelbetriebstemperaturbereichs liegt (nachfolgend als "Warmspülung" bezeichnet).It has been shown to have improved cold startability and freeze tolerance of fuel cells at several freeze / thaw cycles are also achieved can, if one or more of the fuel, oxidant, coolant and humidification channels rinsed after the stack core temperature returns to normal room temperature or below (hereinafter referred to as "cold rinse"). The beneficial effect the conditioner is not quite so pronounced if the stack channels rinsed at a temperature which are within the normal batch operating temperature range is (hereinafter referred to as "warm rinse").
Beispiele – SpülverfahrenExamples - rinsing procedure
Versuchsdetailsexperimental details
Die Wirkung von Kalt- und Warmspülungen auf Membranelektrodenbaugruppen mit zwei verschiedenen Membranenarten, einer Nafion®-112- und einer DowPontTM-Membran, in einer Ballard-Mark-513-Einzelbrennstoffzelle mit einem internen Befeuchter wurde untersucht. Separate Wasserzufuhrleitungen für die Kühlmittel- und Befeuchtungsströme wurden verwendet. Die Kühlmittelauslasstemperatur betrug 85°C mit einer ΔT (Temperaturänderung zwischen Einlass und Auslass) von 10°C bei 1000 ASF (10764 ASM) unter Verwendung von Luft als Oxidationsmittel. Beide Membranelektrodenbaugruppen (MEAs) verfügten über eine Siebdruckanode, die 3,87 mg/cm2 Platinschwarz-Elektrokatalysator auf Kohlenstofffaserpapier enthielt. Bei der Kathode wiesen beide MEAs 3,87 mg/cm2 Platinschwarz-Elektrokatalysator auf, der von Hand auf Kohlenstofffaserpapier aufgetragen wurde. Die bei der MEA Nr. 513-15 verwendete Nafion®-1135-Membran hatte eine relative Äquivalentmasse von 1100 und eine Dicke von ungefähr 85 μm (trocken). Die bei der MEA Nr. 513-22 eingesetzte DowPontTM-Membran hatte eine relative Äquivalentmasse von 800 und eine Dicke von ungefähr 100 μm (nass).The effect of cold and hot flushes membrane electrode assemblies with two different types of membranes, a Nafion ® -112- and a DowPont ™ membrane, in a Ballard Mark 513 fuel cell-single with an internal humidifier was investigated. Separate water supply lines for the coolant and humidification streams were used. The coolant outlet temperature was 85 ° C with a ΔT (temperature change between inlet and outlet) of 10 ° C at 1000 ASF (10764 ASM) using air as the oxidant. Both membrane electrode assemblies (MEAs) had a screen printing anode containing 3.87 mg / cm 2 platinum black electrocatalyst on carbon fiber paper. At the cathode, both MEAs had 3.87 mg / cm 2 platinum black electrocatalyst, which was applied by hand to carbon fiber paper. The Nafion ® -1135 membrane used in the MEA no. 513-15 had a relative equivalent weight of 1100 and a thickness of about 85 microns (dry). The DowPont ™ membrane used in MEA No. 513-22 had a relative equivalent weight of 800 and a thickness of approximately 100 μm (wet).
Die Mark-513-Zelle wurde zusammengebaut und über Nacht bei 600 ASF (6458 ASM) jeweils bei einem Luft-/Brennstoffdruck von 30/30 psig (207/207 kPa Messdruck) und einer Stöchiometrie von 2/1,5 betrieben. Der Brennstoff war im Wesentlichen reiner Wasserstoff. "Stöchiometrie" ist das Verhältnis der dem Brennstoffzellenstapel zuge führten Reaktionspartnermenge zur tatsächlich im Brennstoffzellenstapel verbrauchten Reaktionspartnermenge. In diesem Fall bedeutet eine Brennstoff-Stöchiometrie von 1,5, dass der Brennstoffzelle für jeweils 100 Teile tatsächlich in der Brennstoffzelle verbrauchten Wasserstoffs 150 Teile Wasserstoff zugeführt werden.The Mark 513 cell was assembled and stored overnight at 600 ASF (6458 ASM) each at an air / fuel pressure of 30/30 psig (207/207 kPa Measuring pressure) and a stoichiometry operated by 2 / 1.5. The fuel was essentially pure hydrogen. "Stoichiometry" is the ratio of the Fuel cell stack supplied Reaction partner quantity to actually consumed in the fuel cell stack reaction partner. In In this case, a fuel stoichiometry of 1.5 means that the Fuel cell for in each case 100 parts actually hydrogen consumed in the fuel cell contains 150 parts of hydrogen supplied become.
Kaltspülungs-Gefrier-/TauzyklenCold purge freeze / thaw cycles
Bei
der anfänglichen
Reihe von drei Gefrier-/Tauzyklen (Ergebnisse sind in den
Somit
haben sich, basierend auf den in den
Warmspülungs-Gefrier-/TauzyklenHot purge freeze / thaw cycles
Bei einer späteren Reihe von drei Gefrier-/Tauzyklen wurde jede Zelle vor dem Kühlen bei der Stapelbetriebstemperatur (ungefähr 85°C) gespült. Die Brennstoff-, Oxidationsmittel-, Kühlmittel- und Befeuchtungskanäle wurden ungefähr 1 Minute lang mit Stickstoff gespült. Die Zelleneinlässe und -auslässe wurden abgedeckt und die Zelle in ein Gefriergerät gegeben. Der interne Abdichtungsdruck innerhalb der Zelle wurde während des Gefriervorgangs aufrechterhalten. Die Temperatur des Gefriergeräts betrug ungefähr –20°C. Die Dauer des Gefriervorgangs betrug zwischen 15 und 20 Stunden. Nach der Entnahme aus dem Gefriergerät wurden die Kühlmittelleitungen angeschlossen, die Zelle auf Betriebstemperatur erwärmt und der Betrieb unter Verwendung des im Wesentlichen gleichen Verfahrens gestartet, das bei den vorstehend beschriebenen Kaltspülungs-Gefrier-/Tauzyklen eingesetzt wurde. Eine Polarisationsprüfung wurde zwischen 0 und 1000 ASF (0 und 10764 ASM) an jeder der zwei getesteten MEAs wiederum unter Verwendung zweier unterschiedlicher Oxidationsmittelströme durchgeführt: Luft und im Wesentlichen reiner Sauerstoff.at a later one A series of three freeze / thaw cycles was performed on each cell before cooling Stack operating temperature (about 85 ° C). The Fuel, oxidant, coolant and humidification channels approximately Purged with nitrogen for 1 minute. The cell inlets and outlets became covered and the cell placed in a freezer. The internal sealing pressure inside the cell was during maintained the freezing process. The temperature of the freezer was about -20 ° C. The duration the freezing time was between 15 and 20 hours. After Removal from the freezer were the coolant lines connected, the cell heated to operating temperature and the operation started using the substantially same process, used in the cold rinse freeze / thaw cycles described above has been. A polarization test was between 0 and 1000 ASF (0 and 10764 ASM) at each of the two tested MEAs again using two different Oxidant streams carried out: Air and essentially pure oxygen.
Die durch die Kaltspülungstechnik erzielten, besonders vorteilhaften Ergebnisse wurden ferner durch die folgende Prüfung unterstützt, bei der eine Einzelbrennstoffzelle 55 Gefrier-/Tauzyklen unterzogen wurde, wobei die Spültechnik nur bei den Kühlmittelkanälen und kathodenseitigen Kanälen angewandt wurde.The through the cold rinse technique achieved, particularly advantageous results were further by the following exam support in which a single fuel cell undergoes 55 freeze / thaw cycles was, using the rinse technique only with the coolant channels and cathode-side channels was applied.
Versuchsdetailsexperimental details
Die Wirkung wiederholter Kaltspülungen auf eine Membranelektrodenbaugruppe mit einer Nafion®-112-Membran in einer Ballard-Mark-513-Einzelbrennstoffzelle mit einem externen Befeuchter wurde untersucht. Separate Wasserzufuhrleitungen für die Kühlmittel- und Befeuchtungsströme wurden verwendet. Die Kühlmitteleinlasstemperatur betrug 70°C mit einer ΔT (Temperaturänderung zwischen Einlass und Auslass) von 15°C bei 1 A/cm2 unter Verwendung von Luft als Oxidationsmittel. Die MEA verfügte über eine Siebdruckanode, die 0,34–0,38 mg/cm2 Platinschwarz-Elektrokatalysator enthielt, und eine Siebdruckkathode, die 0,73–0,82 mg/cm2 Platinschwarz-Elektrokatalysator auf Kohlenstofffaserpapier enthielt, wobei beide mit einer Nafion-Sprühbeschichtung (0,2 mg/cm2) versehen waren.The effect of repeated cold rinses to a membrane electrode assembly with a Nafion ® -112 membrane in a Ballard Mark 513 fuel cell-single with an external humidifier was investigated. Separate water supply lines for the coolant and humidification streams were used. The coolant inlet temperature was 70 ° C with a ΔT (temperature change between inlet and outlet) of 15 ° C at 1 A / cm 2 using air as the oxidant. The MEA had a screen-printed anode containing 0.34-0.38 mg / cm 2 platinum black electrocatalyst and a screen-printed cathode containing 0.73-0.82 mg / cm 2 platinum black electrocatalyst on carbon fiber paper, both with Nafion spray coating (0.2 mg / cm 2 ).
Die Zelle wurde in einer temperaturgeregelten Umgebungskammer jeweils bei einem Luft-/Brennstoffdruck von 27/27psig (186/186 kPa Messdruck) und einer Stöchiometrie von 1,8/1,2 betrieben. Der Brennstoff war ein simulierter Methanol-Reformatstrom (Zusammensetzung: 63,5% Wasserstoff, 22,5% Kohlendioxid, 13% Stickstoff, 1% Methanol und 40 ppm Kohlenmonoxid), wobei an der Anode eine Entlüftung von 4% angewandt wurde. Die Brennstoff- und Oxidationsmittelströme wurden befeuchtet.The Cell was in a temperature controlled environmental chamber respectively at an air / fuel pressure of 27 / 27psig (186/186 kPa gauge pressure) and a stoichiometry operated by 1.8 / 1.2. The fuel was a simulated methanol reformate stream (Composition: 63.5% hydrogen, 22.5% carbon dioxide, 13% nitrogen, 1% methanol and 40 ppm carbon monoxide), where at the anode a vent of 4% was applied. The fuel and oxidant streams were moistened.
Für die Reihe
von 55 Gefrier-/Tauzyklen (Ergebnisse sind in
Beispiele – WärmebehandlungsverfahrenExamples - Heat treatment process
Bezugnehmend
auf
Eine erhebliche Leistungsverbesserung nach dem Gefrieren wurde in 4 Fällen erzielt, in denen der Stapelbetrieb gestartet und die Stapelbetriebstemperatur dann auf eine über der normalen Stapelbetriebstemperatur von ungefähr 85°C liegende Temperatur erhöht wurde, nämlich ungefähr 100°C. Die direkt nach solchen Wärmebehandlungen erzielten Datenpunkte sind mit H gekennzeichnet.A significant improvement in performance after freezing was achieved in 4 cases, in which batch mode started and the stack operating temperature then one over the normal stack operating temperature of about 85 ° C has been increased, namely about 100 ° C. The directly achieved after such heat treatments Data points are marked H.
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